氣動(dòng) 聲學(xué)風(fēng)洞熱交換器的氣動(dòng)噪聲

李啟良，楊志剛，趙蘭萍，2

（1.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201804）

氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞是汽車(chē)開(kāi)發(fā)的不可缺少的測(cè)試設(shè)施.為了滿足中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的需要，擁有國(guó)內(nèi)首個(gè)全尺寸氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞和全尺寸熱環(huán)境風(fēng)洞的上海地面交通工具風(fēng)洞中心已建設(shè)完成.設(shè)計(jì)和建設(shè)聲學(xué)性能良好的氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞，有必要對(duì)其主要噪聲源進(jìn)行有效控制.風(fēng)洞的主要噪聲源不僅包括大功率風(fēng)機(jī)，也包括流道內(nèi)各種設(shè)備，如熱交換器、蜂窩器等.盡管流道設(shè)備產(chǎn)生噪聲的聲能量遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)的噪聲能量，但它們處于風(fēng)洞中的不同位置，在風(fēng)機(jī)噪聲得到控制后，它們的噪聲會(huì)突現(xiàn)出來(lái)，而且會(huì)疊加到總的聲壓級(jí)中.熱交換器是風(fēng)洞流道的重要設(shè)備，空氣通過(guò)熱交換器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲應(yīng)在噪聲控制中引起重視.

阻力小、換熱性能好的矩形翅片橢圓管熱交換器成為氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞的首選［1］.國(guó)內(nèi)外對(duì)此類(lèi)熱交換器的流動(dòng)與換熱研究較多.黃素逸等［2－3］、張春雨等［4－5］、張鵬等［6］從翅片大小、間距、管間距、進(jìn)風(fēng)角度等方面研究矩形翅片橢圓管熱交換器的流動(dòng)與換熱特性.丁永航等［7］從數(shù)值模擬角度對(duì)此類(lèi)熱交換器的流動(dòng)與換熱特性進(jìn)行研究.然而到目前為止，有關(guān)矩形翅片橢圓管熱交換器的氣動(dòng)噪聲研究的文獻(xiàn)很少，專(zhuān)門(mén)針對(duì)氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞中的矩形翅片橢圓管熱交換器的氣動(dòng)噪聲研究尚未所見(jiàn).

本文在模型風(fēng)洞中開(kāi)展矩形翅片橢圓管熱交換器的聲學(xué)試驗(yàn)，測(cè)量其進(jìn)出口處的聲壓信號(hào)，摸清其氣動(dòng)噪聲的大小和頻率分布，為全尺寸氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞熱交換器設(shè)計(jì)和風(fēng)洞有針對(duì)性消聲提供依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為了研究氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)性能，建設(shè)1∶15的模型風(fēng)洞，如圖1所示.風(fēng)洞的速度由風(fēng)機(jī)電機(jī)控制，其最大噴口速度為45 m·s－1.熱交換器安裝于拐角3和拐角4之間的過(guò)渡段.試驗(yàn)采用的矩形翅片橢圓管以及管間距與全尺寸風(fēng)洞熱交換器相同，兩者唯一區(qū)別在于全尺寸風(fēng)洞熱交換器換熱管長(zhǎng)度以及垂直方向換熱管布置的高度與之相差15倍.

圖1 模型風(fēng)洞示意圖Fig.1 Schematic of model wind tunnel

試驗(yàn)對(duì)1.5排熱交換器進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量，如圖2a所示.聲學(xué)測(cè)量分別在熱交換器進(jìn)口與出口的等分點(diǎn)上進(jìn)行，如圖2b所示，具體位置如表1所示.試驗(yàn)采用的聲學(xué)測(cè)量設(shè)備主要包括聲學(xué)測(cè)量分析儀器HEAD ACOUSTICS SQLAB III、傳聲器、B＆K標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器.試驗(yàn)開(kāi)始前后使用B＆K標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器對(duì)聲學(xué)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn).標(biāo)定后，設(shè)定采集卡的采樣頻率為24kHz，采樣時(shí)間為30s.試驗(yàn)以熱交換器進(jìn)口平均速度作為試驗(yàn)風(fēng)速，始于3m·s－1，終于8m·s－1，以1m·s－1為步長(zhǎng).由于熱交換器橫截面積是噴口面積5倍，因此如果將試驗(yàn)風(fēng)速換算成噴口風(fēng)速，那么所對(duì)應(yīng)的噴口風(fēng)速為54～144km·h－1，這將包括絕大多數(shù)試驗(yàn)段試驗(yàn)風(fēng)速.

圖2 傳聲器位置（單位：mm）Fig.2 Microphone position（unit：mm）

表1 測(cè)點(diǎn)位置Tab.1 Position of test points mm

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 頻譜

當(dāng)熱交換器安裝到風(fēng)洞時(shí)，試驗(yàn)采集了不同風(fēng)速下熱交換器進(jìn)口和出口3個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓信號(hào).當(dāng)熱交換器尚未安裝到風(fēng)洞時(shí)，僅采集不同風(fēng)速下熱交換器出口3個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓信號(hào).圖3顯示出熱交換器安裝到風(fēng)洞后，進(jìn)出口中間測(cè)點(diǎn)在迎面風(fēng)速為8m·s－1的聲壓頻譜圖.從圖3可以看到，2個(gè)較明顯的峰值出現(xiàn)在熱交換器進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的頻率分別為20Hz和45Hz；另1個(gè)明顯的峰值出現(xiàn)在熱交換器出口測(cè)點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的頻率為118Hz.當(dāng)熱交換器尚未安裝到風(fēng)洞時(shí)，熱交換器出口測(cè)點(diǎn)仍發(fā)現(xiàn)在20Hz和45Hz存在峰值.經(jīng)分析可知，僅出現(xiàn)在熱交換器出口的118Hz的峰值頻率正是空氣通過(guò)熱交換器的漩渦脫落頻率.熱交換器進(jìn)出口都出現(xiàn)的20Hz和45Hz峰值頻率是低頻顫振的共振頻率，更進(jìn)一步了解低頻顫振，可參考文獻(xiàn)［8］.由于本文主要研究熱交換器氣動(dòng)噪聲特性，為此在下面分析中采用高通濾波器將頻率小于60Hz的聲壓進(jìn)行過(guò)濾，從而突出熱交換器的聲學(xué)特征.

圖3 迎面風(fēng)速8m·s－1時(shí)中間測(cè)點(diǎn)頻譜Fig.3 Frequency spectrum of middle point at the flow speed of 8m·s－1

空氣通過(guò)熱交換器的流動(dòng)是由各種尺度的漩渦組成.最大尺度通常對(duì)應(yīng)著平均流動(dòng)的典型長(zhǎng)度，最小尺度對(duì)應(yīng)著湍動(dòng)能的耗散尺度.大尺度的漩渦有更多能量，而小尺度的漩渦帶有的能量較少.與小尺度漩渦相比，大尺度漩渦從形成、發(fā)展以及最后的破裂所對(duì)應(yīng)的時(shí)間更長(zhǎng).這正是圖3反映的熱交換器進(jìn)出口測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均隨頻率從200Hz增加到1 000Hz而逐漸減少的原因.除少數(shù)幾個(gè)頻率外，相同頻率下，熱交換器出口聲壓級(jí)均比進(jìn)口大.至于在高頻段，熱交換器進(jìn)出口頻譜重疊在一起，即相同頻率下，兩者聲壓級(jí)相等（圖中并未顯示）.從以上分析可知，熱交換器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲主要集中在中低頻段.

2.2 測(cè)點(diǎn)比較

表2給出所有測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí).從表2看出，測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)隨著迎面風(fēng)速增加而增加；相同迎面風(fēng)速下，熱交換器進(jìn)口的3個(gè)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)基本相等.例如，當(dāng)迎面風(fēng)速為8m·s－1時(shí)，熱交換器進(jìn)口的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)基本都是97.2dB.對(duì)于出口的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，相同迎面風(fēng)速下，僅僅是內(nèi)側(cè)和中間測(cè)點(diǎn)在總聲壓級(jí)上比較接近，外側(cè)測(cè)點(diǎn)小于其余2個(gè).仍取最大試驗(yàn)風(fēng)速為例，內(nèi)側(cè)和中間測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)接近106.0dB，但外側(cè)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)僅103.3dB.在聲壓的測(cè)量中，3dB的差異可認(rèn)為是一個(gè)顯著的差異.為了了解該差異，圖4給出該迎面風(fēng)速下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻譜.漩渦脫落現(xiàn)象均反映在圖4上，但其漩渦脫落頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)有所不同.外側(cè)測(cè)點(diǎn)要小于內(nèi)側(cè)和中間測(cè)點(diǎn).

表2 不同迎面風(fēng)速下不同測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)Tab.2 Total sound pressure level of different test points dB

圖4 迎面風(fēng)速8m·s－1時(shí)內(nèi)側(cè)、中間、外側(cè)測(cè)點(diǎn)頻譜Fig.4 Frequency spectrum of three test points at the flow speed of 8m·s－1

熱交換器安裝在風(fēng)洞拐角3和拐角4之間的過(guò)渡段上.由于徑向壓力梯度和離心力不平衡導(dǎo)致在拐角3形成曲率誘導(dǎo)的二次流動(dòng).氣流通過(guò)拐角3后，流場(chǎng)帶有很強(qiáng)的空間分布.外側(cè)流體速度較低，內(nèi)側(cè)流體速度較高.氣流通過(guò)熱交換器形成漩渦，漩渦的強(qiáng)度與當(dāng)?shù)厮俣却笮≈苯酉嚓P(guān).由于最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在漩渦脫落頻率上，因此最大聲壓級(jí)直接影響著總聲壓級(jí)的大小.其余5個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速也能觀察到相同的現(xiàn)象.

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)段較低的背景噪聲要求，對(duì)全尺寸氣動(dòng)－聲學(xué)風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)、拐角以及試驗(yàn)段壁面等部件進(jìn)行聲學(xué)處理.然而，模型風(fēng)洞并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的聲學(xué)處理，盡管使用高通濾波器，但是熱交換器進(jìn)口和出口測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)仍大于全尺寸風(fēng)洞相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí).因此，本文并不在意熱交換器進(jìn)口或出口的總聲壓級(jí)大小，而是關(guān)心熱交換器進(jìn)出口總聲壓級(jí)的差值，因?yàn)槟Ｐ惋L(fēng)洞測(cè)量出來(lái)的熱交換器進(jìn)出口總聲壓級(jí)差值反映熱交換器增加的噪聲量.表2也給出不同迎面風(fēng)速下熱交換器進(jìn)口和出口總聲壓級(jí)的差值.當(dāng)以中間測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)時(shí)，迎面風(fēng)速?gòu)?m·s－1增加到8m·s－1，熱交換器進(jìn)出口總聲壓級(jí)差值最小為8.9dB，最大為10.7dB.當(dāng)以外側(cè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)時(shí)，該差值最小為5.5dB，最大為9.1dB.若以內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，則該差值最小為8.0dB，最大為10.2dB.與內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)相比，中間測(cè)點(diǎn)離風(fēng)洞壁面更遠(yuǎn)，而且當(dāng)?shù)厮俣雀咏鼰峤粨Q器進(jìn)出口平均速度，因此下文分析僅選取中間測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3 漩渦脫落頻率及斯脫拉哈爾數(shù)

當(dāng)氣流通過(guò)圓管或管束，漩渦就在其背后周期地形成，這種現(xiàn)象被許多研究者［9－11］注意到.漩渦脫落頻率在各種類(lèi)型的管均能尋找到，量綱一的數(shù)St被用來(lái)描述給定管下，迎面風(fēng)速與漩渦脫落頻率的關(guān)系.應(yīng)該指出的是，St受到各種因素的影響，如管子排列、管排數(shù)等.

從圖5看出，漩渦脫落頻率隨著迎面風(fēng)速增加而增加.例如，當(dāng)迎面風(fēng)速?gòu)?m·s－1增加到8m·s－1，漩渦脫落頻率則從49Hz增加到118 Hz.圖6顯示出漩渦脫落頻率與迎面風(fēng)速的關(guān)系.從圖中可以看出，漩渦脫落頻率與迎面風(fēng)速成線性關(guān)系.文獻(xiàn)［12］定義當(dāng)量直徑可知，對(duì)于試驗(yàn)測(cè)量的熱交換器對(duì)應(yīng)的St＝0.302.

在試驗(yàn)風(fēng)速下，熱交換器對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re＝4.0×104～1.1×105，此時(shí)的流動(dòng)已進(jìn)入充分發(fā)展區(qū).在該區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)對(duì)應(yīng)量綱一的非定常流動(dòng)時(shí)間基本不變，這是本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱交換器對(duì)應(yīng)的St為常數(shù)的原因.

2.4 氣動(dòng)噪聲組成

熱交換器產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲是漩渦脫落和湍流共同作用的結(jié)果.由于熱交換器的復(fù)雜性，漩渦脫落對(duì)應(yīng)的頻率并非是1個(gè)單頻，而是占據(jù)了小部分頻段.與之相反，湍流占據(jù)的頻段較大.從消聲角度來(lái)講，消除由于湍流產(chǎn)生的噪聲非常困難；消除由于漩渦脫落產(chǎn)生的噪聲卻是比較容易，因?yàn)槠渲徽紦?jù)較小頻段.為了分別計(jì)算由于漩渦脫落和湍流產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，使用1個(gè)帶阻濾波器.該濾波器的濾波頻率位于漩渦脫落頻率，且Q因子設(shè)定為5，這主要是因?yàn)殇鰷u脫落占據(jù)小部分頻段.不同迎面風(fēng)速下，它們的計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 氣動(dòng)噪聲組成Tab.3 Component of aero noise dB

從表3可以看出，隨著迎面風(fēng)速?gòu)?m·s－1增加到8m·s－1，由湍流產(chǎn)生的噪聲從最大的7.4dB減少到4.9dB，由漩渦脫落產(chǎn)生的噪聲則從最小的2.1dB增加到4.0dB.可見(jiàn)，漩渦脫落產(chǎn)生的噪聲隨著迎面風(fēng)速增加而增大，只要對(duì)它進(jìn)行有效控制，大部分熱交換器產(chǎn)生的噪聲就能得到減弱.

3 結(jié)論與展望

在試驗(yàn)風(fēng)速下，熱交換器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲大小約為8.9～10.7dB，其能量主要集中在中低頻段.漩渦脫落和湍流是熱交換器產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因.當(dāng)迎面風(fēng)速?gòu)?m·s－1增加到8m·s－1時(shí)，漩渦脫落產(chǎn)生噪聲從2.1dB增加到4.0dB；而湍流產(chǎn)生噪聲則從7.4dB減少到4.9dB.漩渦脫落頻率隨迎面風(fēng)速呈線性增加，表明在所有試驗(yàn)風(fēng)速下存在1個(gè)不變的St.

應(yīng)該指出上述結(jié)論僅基于某固定結(jié)構(gòu)的熱交換器.為了使之更具有廣泛性，應(yīng)該對(duì)不同管間距、翅片間距進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)，找出其變化規(guī)律，為風(fēng)洞熱交換器的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

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